數值模擬技術在基坑工程輔助教學中的應用探討

楊玉順 張繼華 沈 威 張春雷 武精科

（淮陰工學院 建筑工程學院，江蘇 淮安 223001）

0 引言

基坑工程課程教學主要以傳統的講授為主，教學方式單一，學生學習效率低，該課程主要研究基坑支護設計與施工問題[1]，基坑支護類型多樣，理論計算復雜，加上外界因素的干擾，學生很難提起興趣。作為土木工程專業的綜合性課程，理論學時偏少，實驗課時少甚至沒有，學生很難透徹理解基坑支護設計與施工基本理論。數值模擬技術的出現為分析巖土體內部破壞特性提供有力的可視化手段[2-3]，可直觀再現基坑施工過程中巖土體的變形破壞特性[4-5]，進而激發學生的學習興趣，培養學生的創新思維。

1 數值模擬在基坑工程輔助教學中的應用

筆者結合案例分析，通過數值模擬軟件建立三維模型，模擬研究不同尺寸開挖過程中巖土體變形破壞特性，通過可視化直觀再現結果，探究基坑開挖過程中巖土體的變形破壞特性。

1.1 模型建立

結合某基坑工程概況，采用FLAC3D5.0軟件建立尺寸X×Y×Z=50 m×50 m×50 m的三維模型，見圖1。基坑位于模型頂部中心位置，模型頂部自由，底部和四周施加法向位移約束，巖土體力學參數見表1所示。

圖1 三維模型

表1 土體力學參數

表中，K—體積模量；G—剪切模量；c—內聚力；φ—內摩擦角，t—抗拉強度。

1.2 方案設計

改變基坑尺寸（X×Y×Z）分別為：5 m×5 m×5 m、10 m×10 m×10m和15 m×5 m×15 m。

1.3 變形特性分析

由于基坑形狀對稱分布，僅給出不同基坑開挖尺寸下X方向變形結果，見圖2。基坑開挖尺寸為5 m、10 m和15 m時變形量分別為12.5 mm、872.31 mm和1 327.14 mm，表明隨著基坑開挖尺寸的增大，其水平方向的變形量逐漸增大。

圖2 不同基坑開挖尺寸下X方向變形云圖

1.4 破壞特性分析

圖3為不同基坑開挖尺寸下土體塑性區云圖，隨著基坑開挖尺寸的增大的增加，周圍巖土體破壞區域逐漸增大，破壞方式主要以剪切破壞和拉伸破壞為主。

圖3 不同基坑開挖尺寸塑性區云圖

為直觀分析土體破壞區域，采用圖3中塑性區單元格數量進行表示，如圖4所示。基坑開挖尺寸為5 m、10 m和15 m時單元格破壞數量分別為71、226和312，擬合基坑開挖尺寸與單元格數量關系曲線符合線性增長關系。

圖4 單元格破壞數量

2 結語

結合基坑工程教學現狀及基坑工程問題的特點，提出將數值模擬技術運用到日常教學過程中，加強授課方式的結合。結合基坑工程案例分析，直觀再現不同基坑尺寸開挖過程中的變形破壞特性，可有效提高學生的學習興趣。在實際授課過程中積極組織學生參與數值模擬技術的學習和實際應用，可提高和培養學生分析和解決實際工程問題的能力。